掌握IGBT核心技术：从器件结构到新兴拓扑的创新应用

2024-06-24 12:05:28 1102

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为高效且可靠的技术解决方案，早已被广泛采用，即便如今碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料的应用日益普及。实际上，对于众多应用场景而言，IGBT仍然是理想的选择。在本篇文章中，INFINITECH将介绍IGBT器件的结构和运行，同时展示一系列针对不同IGBT应用的电路拓扑设计。此外，我们还将探讨IGBT技术在新兴拓扑结构中的创新应用，以展现这一多功能且稳健的技术如何持续演进，满足不断变化的行业需求。

IGBT 器件结构

简而言之，IGBT是一种由四层交替的P-N-P-N结构组成的功率半导体器件，其工作原理是通过在金属氧化物半导体（MOS）栅极上施加电压来实现控制。这种基本的设计经过不断调整和优化，显著降低了开关过程中的能量损耗，并使得器件本身更加轻薄。最新的IGBT技术融合了沟槽栅结构和场截止设计，目的是有效抑制内部的寄生NPN效应。该方法不仅降低了器件的饱和电压和导通电阻，还大幅度提升了整体的功率密度，从而实现了性能上的重大突破。

沟槽场截止 IGBT 结构图 1：沟槽场截止 IGBT 结构

应用与拓扑结构

如今，IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构，下面INFINITECH列举了其中的几种。

焊接机

如今许多焊接机使用逆变器，而非传统的焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势，比如直流电流比交流电流安全，而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。功率级（单相或三相）将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V，但一旦启动焊弧，在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下（短路条件），输出电压可能高达 60 V DC。

焊接机框图

图 2：焊接机框图

焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。

全桥、半桥和双管正激拓扑结构图 3：全桥、半桥和双管正激拓扑结构

电磁炉

电磁炉的原理是，当高磁导率材质的锅靠近线圈时，通过励磁线圈推动（或耦合）锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同，其中线圈负责初级侧，电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%，而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%，相比之下，（对于同量热传递）前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场，电磁场穿透锅底，形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式，即锅的电阻乘以感应电流的平方。

电磁炉框图图 4：电磁炉框图

对于电磁炉，比较重要的要求包括：

高频开关
功率因数接近一
宽负载范围

感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而，该方法存在一个主要缺点：若要在宽范围内控制输出功率，频率需要大幅变化。

感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围，同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大，并且能够提供超高功率。

RHB 和 QR 拓扑结构图 5：RHB 和 QR 拓扑结构

QR 转换器的主要优势是成本较低，因此非常适合低至中功率范围（峰值功率高达 2 kW）、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。

电机驱动

半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。

半桥拓扑结构显示正输出电流和负输出电流图 6：半桥拓扑结构显示正输出电流和负输出电流

考虑到电感负载，电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (I_g>0)，它将流经 T1，为负载提供能量 (V_g)。相反，如果负载电流 I_g 为负，电流经由 D 流回，将能量返回至直流电源。同样，如果 T4 开通（且 T1 关闭），会有 −V_bus/2 的电压施加于负载，且电流会减小。如果 I_g 为正，电流流经 D4，将能量返回至母线电源。

适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构

快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括：

只有两个输出电压等级
无源和有源元件受到应力
高开关损耗
栅极驱动难度加大
纹波电流升高
EMI变高
电压处理（无法与高电压母线结合使用）
器件串联增加了实施工作的复杂性
难以达到热平衡
高滤波要求

为了摆脱这些局限性，在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中，采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多，滤波器元件之间的电压相应减小，因此滤波损耗也更低，元件更小。开关损耗有所降低，而导通损耗则小幅增加（适合 16kHz - 40kHz 的较高频率，可达到约 98% 的高能效）。

I 型和 T 型转换器拓扑结构图 7：I 型和 T 型转换器拓扑结构

IGBT 的未来

尽管 IGBT 已经问世很多年，但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计，还应用于新设计，因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V，并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。其未来发展趋势受到材料科学、制造工艺、设计优化以及应用需求的共同推动。以下是IGBT未来发展的几个关键方面：

研究者正在探索使用新型宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），来替代传统的硅基IGBT。这些材料具有更高的击穿电场、热导率和工作温度，能够进一步减少器件的损耗，提高效率，并允许在更高电压和频率下工作。
继续改进IGBT的结构，比如采用更高效的沟槽栅结构或优化的缓冲层设计，以减少开关损耗和导通损耗，同时提高开关速度和可靠性。
开发新的结构，如FS（Field Stop）和E-TOF（Enhanced Trench Oriented Field）结构，以改善性能并降低制造成本。
集成更多功能，如内置驱动电路和保护电路，以简化系统设计并提高整体性能。
发展模块化技术，便于批量生产和维护，同时也利于降低成本和提高生产效率。
通过改进的制造工艺，如外延生长技术和区熔硅单晶技术，以及优化的芯片设计，来减少原材料消耗和生产成本。
集成智能监控和诊断功能，使IGBT能够自我检测状态，预测故障，实现更高级别的系统管理。
在电动汽车、可再生能源系统、轨道交通、工业电机驱动、不间断电源（UPS）等领域，IGBT的应用将持续增加，推动市场增长。
新兴应用领域，如航空航天、医疗设备和高性能计算，也可能成为IGBT技术的新市场。
设计能够在极端温度、辐射和其他恶劣环境下工作的IGBT，以满足特殊应用需求。
追求更高的开关频率，更低的开关损耗和导通损耗，以及更高的热稳定性和可靠性，以满足高效电力转换系统的需求。